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噴墨印刷技術在印刷電路板中的應用分析

日期:2019-4-17 閱讀202次

  印刷電路板(Printed Circuit Board,即PCB)是電子行業中最重要的基礎電子部件,從宇宙飛行器、巨型電子計算機、彈道導彈核艇、運載火箭、機器人、磁懸浮列車,到電視、電子計算機等諸多的民用產品,幾乎每一種電子設備都離不開PCB,可以說有集成電路等電子元器件的地方,就有PCB的存在。據統計,2002年,中國成為第三大PCB產出國。2005年,中國PCB產值和進出口額均超過130億美元,成為世界第二大PCB產出國。我國PCB產業近年來保持著20%左右的高速增長,并預計在2010年左右超過日本,成為全球PCB產值最大和技術發展最活躍的國家。傳統高消耗、高成本、高污染的PCB制造技術遠遠不能滿足也不符合現在的要求,新型PCB制造技術的產生迫在眉睫。

  傳統PCB制造技術

  傳統PCB配線的制造過程非常復雜,需要經過微影過程、使金屬附著于基板的過程和將金屬加工而形成配線的蝕刻制造過程,最后才在基板上出現所要的配線,且目前的微影技術已達到線寬的極限,無法再提高封裝密度。而使用噴墨印刷技術來噴射金屬粒子便可克服此問題,且不需要使用微影過程和蝕刻過程就可以形成配線,從而簡化制造步驟。使用傳統的制造技術,當配線形狀改變時必須改變微影制造過程所使用的光罩,這樣不僅會增加光罩制作的時間和成本,連印刷電路板的種類或生產線都需要改變。相比之下,使用噴墨印刷技術,無須進行生產線的改變和元件的準備,只要將CAD資料直接輸入噴墨打印裝置,即可達到改變配線的目的。

  還有目前使用絲網印刷來制作印刷電路板,其工藝流程包括制阻焊膜底片→沖底片定位孔→清洗印制版→配制油墨→雙面印刷→預烘→曝光→顯影→熱固,這個過程是非常復雜的。隨著電路板線寬減小,對絲網印刷機的要求逐漸提高,印前準備時間也逐漸延長,這就造成了成本的增加;隨著電路板厚度的減小,印刷壓力也必須隨之調整,壓力過大電路板會損壞,過小則印刷質量不能符合要求。而且絲網印刷所造成的污染較大,也無形中提高了制造成本。

  噴墨印刷技術

  隨著對噴墨印刷技術的持續研究與開發,噴墨印刷技術已經取得很大的突破與進展。特別是自2005年以來,噴墨印刷機、噴墨打印頭和墨水等方面的重大突破與進展,如日本產業技術綜合研究所開發的能夠噴射小到1~2pL的墨滴的超級噴墨印刷技術(Super-Inkjet Technology)的設備,還有適宜于規模化生產的UV固化噴印墨水,特別是研制出的含銀納米級油墨(或稱OM/Ag,有機金屬/銀絡合物),為用于生產精細到10~20μm的線寬/間距的PCB產品提供了條件。近年又開發出更高級的超級噴墨印刷技術,其噴射出的墨滴可以小到飛升(1fL=1×10-15L),即噴射出的墨滴尺寸可小到1μm以下,從而可形成線寬小于3μm的線路。這些成果吸引了PCB制造商,為PCB企業生產精細化產品、實現節能減排提供了選擇的機會和新的出路。

  1.噴墨印刷原理

  現以按需式壓電材料引起墨水體積改變而形成噴墨墨滴為例來說明噴墨印刷的原理。利用電壓脈沖驅動壓電陶瓷元件(簡稱PZT)使之產生變形,擠壓墨水腔內的墨水。當產生瞬間的壓力足以克服流體的表面張力時,墨水由噴嘴口噴射出,在墨滴噴出的過程中,由于移除電壓時所造成的壓電陶瓷元件反方向的應力會使墨滴串產生頸縮現象,從而導致墨滴脫離噴嘴口。

  壓電式噴墨頭因不需要將噴液汽化,所以可用來噴射任何配制好的液體或金屬熔液,也可噴射分散在水中的各種各樣的溶劑、水溶液、熔化的焊料與聚酯、有機金屬和納米金屬顆粒的溶液(墨水)。這種設備可在室溫至340℃的溫度范圍內進行操作。噴出的液滴可小到幾個pL,每秒可噴出幾千個小液滴。這種數字噴墨打印機只有在噴墨打印定量模式確定后,才會產生噴射墨滴,而噴射位置、面積和厚度等將由CAD數據或存儲數字所形成的數據化驅動來對印刷機和打印頭進行控制,以達到精確控制液滴大小和重復生產的要求。

  2.噴墨印刷設備

  目前,噴墨印刷設備不僅僅局限于辦公用噴墨打印機方面,已經進入了專業化的階段。如在日本和美國市場推出的用于滿足PCB生產規模化要求的噴墨印刷設備。在噴墨印刷機中的主要性能和要求包括以下幾個方面。

  (1)噴墨頭(嘴),它噴射出的墨滴大小和分辨率直接影響到線路的尺寸與精細度。

  (2)生產效率,即在單位時間內可形成“在制板”數量,它關系到是否能進行規模化生產和成本問題。目前市場化的產品有日本CicroCraft k.k.的MJ6151系列和美國的Printar公司的GreenjetTM系列等產品。MJ6151系列噴墨印刷機,其印刷的分辨率為300~600dpi,噴射墨滴量最小為30pL,形成的線寬在80~150μm之間,只能滿足一般PCB線路密度的要求。因此必須開發更小的噴射墨滴量,更高的噴印分辨率,才能獲得更小的線寬。如果印刷的分辨率為1200~2400dpi,噴射墨滴量最小為3~6pL,則線寬可達到5~20μm,如圖1所示為更細線寬的噴印圖形的放大圖。對于“金屬納米級油墨”來說,必須開發出具有能夠噴射更小“墨滴”(如小于1pL)的噴射頭的噴墨打印機,才能滿足直接形成5μm以下的線寬的要求。

  (3)噴墨印刷墨水。目前在PCB中,噴墨印刷墨水主要有三大類:①抗蝕/抗鍍墨水,用于取代傳統干膜與濕膜;②阻焊、字符(含介質層)等墨水,取代常規的阻焊、字符(介質層/絕緣層)等油墨;③直接噴印形成導電圖形/線路的金屬顆粒墨水(其中納米級金屬顆粒墨水方能完成滿足低溫燒結要求的優質導電的精細圖形和導線)。在這三大類用于印刷電路板噴印的墨水中,第一類和第二類墨水最重要的性能是黏度和觸變性,而第三類墨水的最關鍵性能是其中的金屬顆粒(如銀、金、銅等)要達到納米級。

  噴墨印刷技術在PCB工業中的應用

  伴隨著“專用”(產業化)的和“超級噴墨”技術的出現,噴射用的打印頭和專用墨水,特別是納米級墨水的改進和突破,現在利用這些高端技術,如超級噴印機和納米銀顆粒油墨等,已經可以得到精細的3~5μm的線寬/間距。這些技術、工藝和應用條件的不斷成熟和普及,為噴墨印刷技術在PCB領域中的推廣應用提供了基礎和保證。噴墨印刷技術在PCB工業中的應用主要體現在以下幾個方面。

  第一,采用噴墨印刷技術直接形成抗蝕、抗鍍圖形,阻焊圖形與字符。采用這種工藝技術可以減少傳統圖形轉移工藝60%以上的生產過程,節省60%左右的抗蝕、抗鍍、阻焊油墨、干膜,減少60%以上有機廢水的處理與排放,并可提高產品的合格率,縮短生產周期,降低圖形轉移的成本。表1所示為各種圖形轉移方法所需的工序比較。

  第二,全部采用噴墨印刷技術直接生產PCB產品,即在基板上噴印導電圖形、低溫燒結、噴印介質層、噴印填導通孔、低溫燒結、噴印導電圖形等,以重復形成滿足要求的積層板。由于可以噴墨印刷各種無機、有機材料,因此各種電子功能結構材料可以通過印刷集成于電路板之中。除了電極以外還可印刷制作晶體管、電感、電容、電阻、電池等功能組件。從而使印制電子電路發展成為一種全印制電子加工過程、一種嶄新的加工工藝,用于顯示器、信號板、傳感器、光電池等方面。

  第三,采用噴墨印刷技術直接形成埋嵌元件板和系統封裝基板等,從而大大簡化生產和封裝過程,以達到高密度化,提高電氣性能和可靠性。

  雖然利用噴墨印刷技術開發生產PCB產品還沒有進入大規模工業化生產,但是它可以極大地簡化PCB的生產過程和縮短生產周期。采用噴墨印刷技術只需要5道左右工序:CAD布圖-鉆孔-前處理-噴墨印制-固化;不必使用昂貴的生產設備和節省成本,能夠達到節能減排的目的,特別是減少了廢水的處理量,改善了環境污染,實現了綠色生產;而且這種方式不用掩模,十分靈活,生產過程幾乎無“三廢”,線條精細,可適用于剛性板和撓性基體,可以實現生產方式的高度自動化,多噴頭并行動作,從而提高生產能力;可用于三維封裝,可實現有源和無源等功能件的集成;同時由于金屬納米材料的低熔點,使得金屬線條固化溫度有望低至200~300℃。正是這些優點,噴墨印刷技術會在PCB工業中迅速得到推廣和應用,并將成為PCB產品生產的主流,給PCB工業帶來革命性的變革與進步。

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